aula 01 classificação dos materiais
TRANSCRIPT
Classificação dos Materiais Callister cap.1
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Ciência e Engenharia de Materiais
┐ Ciência de materiais:
┐ Investigação das relações existentes entre as estruturas e as
propriedades dos materiais
┐ Desenvolvimento ou sintetização de novos materiais
┐ Engenharia de materiais:
┐ Projeto ou engenharia da estrutura de um material com um conjunto
pré-determinado de propriedades, tendo como base a ciência dos
materiais
┐ Criação de novos produtos ou sistemas usando materiais existentes
┐ Desenvolvimento de técnicas para o processamento dos materiais
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Abordagens didáticas em materiais
3
Átomo
Estrutura cristalina
Imperfeições cristalinas
Diagramas de equilíbrio
Microestrutura
Propriedades dos materiais
Projeto de engenharia
Abordagem clássica Ciência dos materiais
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 4
Evolução histórica dos materiais
┐ “O grau de desenvolvimento de uma civilização está
relacionado com a sua capacidade de processar
determinados materiais”
┐ São exemplos:
┐ Idade da pedra, Idade do Bronze e Idade do Ferro, Era
espacial, materiais avançados.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Evolução histórica dos materiais
┐ Primeiros seres humanos utilizavam materiais naturais:
┐ Pedra
┐ Madeira
┐ Pele
┐ Ao longo do tempo:
┐ Técnicas para melhorar os materiais ou produzir materiais
com propriedades superiores:
┐ Cerâmica
┐ Metais
┐ Ligas
┐ Tratamentos térmicos
┐ Adições
Desenvolvimento
tecnológico associado
ao acesso a materiais
adequados
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 6
┐ Por volta de 1930 temos a introdução do
conceito de ciência dos materiais em que
há uma fundamentação científica para o
desenvolvimento de materiais
especificamente projetados para uma
função.
┐ Exemplo clássico: insertos de metal duro
para usinagem
Evolução histórica dos materiais
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 7
Tempo
Nú
mer
o d
e m
ater
iais
dis
po
nív
eis
DISPONIBILIDADE PROJETO DE MATERIAIS
Exemplos: Pedra Madeira Couro e peles Cobre nativo Bronzes Ferro Ferro fundido Aços
Exemplos: Metal duro “Fiberglass” Kevlar ® Fibra de carbono Superligas Cerâmicas avançadas superímas etc...
7000 AC ~1930
Metal duro
Evolução histórica dos materiais
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 8
┐ Microestrutura do metal
duro
┐ TiC - 2470 HV
┐ WC - 1880 HV
┐ Co ~250 HV
Evolução histórica dos materiais
A concepção do metal duro marca o início de uma nova filosofia na área de materiais: Por meio da Ciência dos Materiais foi possível “projetar” novos materiais.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 9
Correlação microestrutura- propriedades
┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades
mecânicas
Micro e macroestrutura
Propriedades mecânicas
Composição química
Composição química
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 10
Composição química
┐ A composição química são os elementos que compõe o material. São exemplos:
┐ Aço: liga à base de Fe contendo até 2% de C.
┐ Alumínio: ligas à base de Al contendo Si, Cu, Mg e Zn como elementos de liga.
┐ Polietileno: cadeias poliméricas de C2H4 (base é C e H).
┐ Alumina: cerâmica composta por Al2O3.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Micro e macroestrutura
11
Correlação microestrutura- propriedades
┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades
mecânicas
Micro e macroestrutura
Propriedades mecânicas
Composição química
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 12
Microestrutura
┐ Consiste na forma com que as fases (cristais ou cadeias poliméricas) estão
arranjadas na microestrutura e macroestrutura. Exemplo: roda em liga Al-
Si (A356).
10 x 500 x
Si Al
Macroestrutura Microestrutura
grãos
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Propriedades mecânicas
13
Correlação microestrutura- propriedades
┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades
mecânicas
Micro e macroestrutura
Propriedades mecânicas
Composição química
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 14
Propriedades mecânicas
┐ O senso comum leva a duas propriedades importantes
em um material:
Resistência Ductilidade
Capacidade de resistir a ação de uma força
Capacidade de se deformar plasticamente sob a ação de
uma força
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Classificação dos Materiais
Metais Cerâmicas
Polímeros Compósitos
Madeira Concreto
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Classificação dos Materiais
Classe do
material
Tipo de ligação
predominante
Exemplos Propriedades associadas
Metais Metálica Aços; ligas de
cobre; ligas de
alumínio
Amplo espectro de temperaturas
de fusão e rigidez;
Condutores;
Opacos
Cerâmicas Covalente e
Iônica
Alumina,
zircônia, vidros,
cimento
Elevadas temperaturas de fusão;
Elevada rigidez; Quebradiços;
Isolantes; Transparentes ou
translúcidos
Polímeros Covalente e
Van der Waals
PE; PP; PVC;
silicone
Baixas “temperaturas de fusão”; Transparentes ou translúcidos;
Flexíveis; Baixa densidade
Compósitos * Concreto,
polímero
reforçado com
fibra (vidro,
vegetal)
Combinação das melhores
propriedades de cada
componente
* combinação de dois ou mais materiais de classes distintas
Apresentação de exemplos de alguns materiais avançados
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 18
Exemplos para discussão
┐ Alguns exemplos de materiais “projetados”:
┐ metal duro (~1930);
┐ alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na;
compósitos de “Fiberglass” (~1950);
┐ compósitos de fibra de carbono;
┐ compósitos de Kevlar® (~1964);
┐ superligas a base de Ni resistentes ao calor;
┐ imãs de alto poder magnético (Nd-Fe-B);
┐ ligas com memória de forma (nitinol) e
┐ materiais biocompatíveis.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 19
Alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na
┐ São tubos translúcidos empregados em
lâmpadas de vapor de sódio.
┐ Comparativo:
┐ Filamento de tungstênio (lâmpada
incandescente) : 15 lumen/W
┐ Vapor de Na : 100 lumen/W
LED moderna: 140 – 170 lumen/W
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 20
Alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na
┐ A alumina convencional é
opaca (branca) devido a
presença de
microporosidades (<0,3%) e
grãos grosseiros.
┐ A temperatura de fusão (TM)
da alumina é: 2050°C.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 21
Alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na
┐ A alumina translúcida
apresenta uma fração de
microporosidades inferior a
0,03% e grãos refinados.
┐ Isso é obtido por meio de
alterações no processo de
fabricação e resulta em um
aumento de “transparência”
do material.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 22
Superligas à base de Ni
┐ As superligas são ligas metálicas à base de Ni, destinadas a aplicações
envolvendo altas temperaturas em conjunto com atmosferas
agressivas.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Superliga IN792
┐ A microestrutura das
superligas à base de
níquel apresenta uma
dispersão de
precipitados (’)
cubóides (70% em
volume) de Ni3Al ou
Ni3Ti.
┐ A matriz é de Ni
endurecida por solução
sólida por Co, W e Cr.
Superligas à base de Ni
23
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
┐ São ímãs permanentes de
elevado produto energético
(BHmax).
┐ São empregados em
motores elétricos
miniaturizados.
24
Superímãs de Nd-Fe-B
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 25
Superímãs de Nd-Fe-B
┐ Materiais diamagnéticos: são
repelidos por campos magnéticos
(1,8 T em 1 g de água gera força
de repulsão de 0,022 gf).
┐ Materiais paramagnéticos: são
fracamente atraídos por campos
magnéticos (1,8 T em 1 g Al gera
força de atração de 0,017 gf).
┐ Materiais ferromagnéticos: são
fortemente atraídos por campo
magnético (1,8 T em 1 g Fe gera
força de atração de 400 gf).
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
┐ Exemplos de tamanho
(volume) de ímãs
permanentes para um
mesmo produto energético
BHmax.
┐ Os ímãs de Sm-Co e Nd-Fe-B
permitiram a miniaturização
de motores elétricos e alto-
falantes.
26
Superímãs de Nd-Fe-B
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 27
Ligas biocompatíveis
┐ Algumas ligas metálicas não
provocam reações no interior
do corpo humano.
┐ Esta característica é
denominada biocompatilidade.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 28
Ligas com memória de forma
┐ São ligas do sistema Ni-Ti
capazes de, após deformadas,
voltar a forma original com o
aquecimento por meio de
uma transformação
martensítica.
Experimento com liga com memória de forma
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 29
Materiais compósitos
┐ Os exemplos mais comuns são os laminados que empregam
camadas de tecido (fibras de reforço) aglomeradas por uma
resina polimérica.
┐ São exemplos:
┐ Fiberglass
┐ Compósitos de Kevlar® (aramida)
┐ Compósitos de carbono
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 30
Kevlar®
┐ São materiais compósitos
elaborados a partir de fibra
de aramida aglomerada com
resina epoxy.
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 31
Fibra de carbono
┐ A fibra de carbono é, em síntese, um compósito contendo fibras
de carbono (grafita e amorfo) aglomeradas com uma resina de
elevada resistência (normalmente epoxy). Atualmente os
compósitos de fibra de carbono (CFRP) são os materiais com a
maior relação resistência/peso.
Construção em compósito carbono-epoxi
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 32
5%
20%
Materiais compósitos
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 33
Referências complementares
1) Shackelford, J. F. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS Prentice Hall
4th edition 1996
2) Newey, C. ; Wever, G. MATERIALS PRINCIPLES AND PRACTICE Materials in action series
The Open University Butherworths 1990
3) Smith, W. F. PRINCÍPIOS DE CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS McGraw-Hill
Terceira edição 1998
4) Campos Filho, M. P. A ESTRUTURA DOS MATERIAIS Editora da Unicamp 1991
5) Carvalho, G. C. ; Lembo, A. Teixeira Jr. H. M. ATOMÍSTICA livro 29 Sistema Anglo de ensino
6) Hull, D.; Bacon, D. J. INTRODUCTION TO DILOCATIONS Butterworth-Heinemann 2001
7) Phillips, R. Crystal, defects and microstructures: Modelling across scaling Cambridge
University Press 2001
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 34
Referências complementares
8) The Making, Shaping and Treatmet of steel USS
9) Porter, D.; Easterling, K. PHASE TRANSFORMATIONS IN METALS AND ALLOYS CRC Press.
ASM Handbook v. 4 Heat Treatment
10) Tschiptschin, A. P. ; Goldenstein, H. ; Sinatora, A. Metalografia dos aços Curso da ABM
1988
11) Thelning K. E. Steel and its heat treatement 2nd edition 1984
12) Heat Treater´s Guide ASM International
13) Santos, A. B. S.; Branco, C. H. C METALURGIA DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E
NODULARES Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT 1977
14) ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International 1993
15) ASM Handbook v. 11 Failure analysis and prevention 10th edition
16) ASM Handbook v.12 Fractography 10th edition